Báo cáo Đề tài Vi cân tinh thể Thạch anh QCM

LOGO
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SENSOR VI
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SENSOR VI
CÂN TINH THỂ THẠCH ANH QCM 5,5 MHz
CÂN TINH THỂ THẠCH ANH QCM 5,5 MHz
Institute of Engineering Physics – Hanoi University of Technology
Báo Cáo QCM
Báo Cáo QCM
Tổng quan QCM
1
Mô phỏng tính chất QCM
2
Thiết kế và chế tạo QCM 5,5 MHz
3
Kết quả
4
Kết luận
5
QCM và đặc tính nhạy
QCM và đặc tính nhạy
1.1
QCM và ứng dụng
QCM và ứng dụng
1.2
Tổng quan QCM
Tổng quan QCM
1

QCM - Quartz Crystal Microbalance : Vi cân
tinh thể thạch anh
QCM và đặc tính nhạy

Hình: Cấu trúc sensor QCM

Nguyên lí hoạt động của QCM dựa trên hiệu
ứng áp điện
QCM và đặc tính nhạy
Hình: Biến dạng trượt của AT - cut

Khi có điện áp hai bản cực  Biến dạng trượt tạo
ra sóng âm TSM (Thickness Shear Mode) theo bề
dày tinh thể.
QCM và đặc tính nhạy

Dao động của tinh thể sẽ cộng hưởng khi bề
dày tinh thể bằng bội số lẻ lần nửa bước sóng
âm
2
2
d
d N
N
λ
λ
= ⇒ =
2
Vq q
N
v
f N
d
λ

= =
N : bậc mode (1,3,5…)
ν
q
: vận tốc sóng âm trong quartz
d: chiều dày quartz

Tần số cộng hưởng cơ bản:
d
v
f
q
2
0
=
QCM và đặc tính nhạy

Khối lượng chất hấp thụ trên bề mặt điện
cực gây ra dịch tần số cộng hưởng (phương
trình G.Sauerbrey):
mcf
f
∆−=∆
0
)/2(
2
0 qqf
fc
ρµ
=

C
f
: hệ số nhạy khối lượng;
Δf
0
= 1 Hz
Δm = 17.7 ng/cm
2


Độ dịch tần số trong môi trường chất lỏng:


qq
ll
ff
µπρ
ρη
2/3
00
−=∆
(phương trình Kanazawa)
QCM và ứng dụng
QCM và ứng dụng

Sensor nhạy khí
At-cut Quartz
Carbon
nanotube
Điện cực vàng


Sensor đo mật độ, độ nhớt chất lỏng
QCM và ứng dụng
QCM và ứng dụng

Sensor đo mức độ ô nhiễm không khí và
môi trường

Sensor đo mức độ lắng đọng chất hòa tan

Sensor đo bề dày màng mỏng bốc bay

Sensor miễn dịch

Sensor phát hiện DNA, RNA
Mô phỏng tính chất cơ QCM
Mô phỏng tính chất cơ QCM
2.1
Mô phỏng tính chất điện QCM
Mô phỏng tính chất điện QCM
2.2
Mô phỏng tính chất QCM
Mô phỏng tính chất QCM
2
Mô phỏng tính chất cơ QCM
Mô phỏng tính chất cơ QCM

Mục đích:

Tìm ra tần số dao động của biến dạng trượt bề

mặt của tấm AT - cut.

Xác định ứng xử của tấm AT - cut khi có tải điện
áp đặt vào.

Dựa vào phương pháp phần tử hữu hạn khảo
sát tính chất cơ của QCM bề dày tấm AT - cut
thay đổi tìm ra tấm bề dày có fo = 5.5 MHz

Sử dụng phần mềm ANSYS chọn phần tử Solid
98 để mô tả tính chất cơ của QCM

Số liệu đặc tính tấm AT - cut
Hằng số điện môi ( 10
-11
F/m)
ε
11
ε
22
ε
33
3.9843 4.0138 4.0433
Ma trận ứng suất áp điện( C/m
2
)
e
11
e
12

e
13
e
14
e
25
e
26
e
35
e
36
0.171 -0.0949 -0.7610 0.94181 0.09395 -0.0375 -0.1334 0.0534
Khối lượng riêng Độ dày Đường kính
2648 kg/m2 300 μm 6,5 mm
Mô phỏng tính chất cơ QCM
Mô phỏng tính chất cơ QCM
Mô phỏng tính chất cơ QCM
Mô phỏng tính chất cơ QCM

Các bước mô phỏng và kết quả
1. Mô hình hoá linh kiện QCM bề dày tấm AT - cut 300 μm
2. Áp đặt điều kiện biên và tải tác dụng
3. Tính toán
Hình : Mô hình QCM bề dày
d = 300 μm, đường kính D = 6.5 mm
Hình : Chia lưới mô hình QCM bề dày
d = 300 μm, đường kính D = 6.5 mm
Mô phỏng tính chất cơ QCM
Mô phỏng tính chất cơ QCM



Kết quả
Kết quả
Tần số : 5.55 MHz
Biên độ :
+ Bề mặt max: 1,891 nm
+ So với trục Oz: 1,122 nm
Hình: Dao động trượt bề mặt của QCM
Mô phỏng tính chất điện của QCM

Mục đích:
-
Xác định tính chất điện của QCM khi có tải lắng đọng trên
bề mặt có độ dày khác nhau.
-
Hiệu chỉnh phương trình Sauerbrey cho tải trong môi
trường chất lỏng.

Sử dụng phần mềm Matlab có độ linh động và tính toán
ưu việt, phù hợp mô tả tính chất này.

Đưa ra các kết quả mô phỏng để so sánh với các kết quả
đo được của QCM chế tạo cùng cấu trúc.
Mô phỏng tính chất điện của QCM

Cơ sở
Cơ sở :
•
Phương trình Sauerbrey

•
Phương trình Kanazawa
•
Mô hình mạch điện tương đương BVD
MàngBộ cộng hưởng
thạch anh

Hình: Mạch tương đương BVD của QCM